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Durchlaufkokille und Verfahren zum Giessen von sauerstoff-freiem oder sauerstoff-haltigem Kupfer mit dieser Kokille
Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchlaufkokille zum Stranggiessen von metallischen Werkstof- fen, deren Formhohlraum von einem prismatischen, mit Graphit ausgefütterten Metallmantel gebildet wird. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Giessen von sauerstofffreiem oder sauerstoffhaltigem Kupfer, z. B. in Form eines im Querschnitt rechteckigen Stranges, der in Platten beliebiger Länge geschnitten werden kann.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Graphitfutter aus je einer Platte je Mantelwandung besteht, und eine Halterung der Futterplatten auf den zugehörigen Mantelwandungen vorgesehen-ist, so dass die Futterplatten zur Aufrechterhaltung des Berührungsschlusses mit den zugehörigen Mantelwandungen sich unabhängig voneinander einstellen können.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Mantel der Kokille aus einer inneren Kupferwandung und einem äusseren Stahlgehäuse, Innen- und Aussenwandung sind lediglich oben und unten miteinander verbunden und bilden so den Wassermantel. Der Mantel ist aus einzelnen Teilen hergestellt, die miteinander durch eine Dichtpackung verbunden sind. Der Einsatz besteht aus flachen, verhältnismässig dünnen Graphitplatten, die unabhängig voneinander an der Kupferwandung befestigt sind.
Die oberen und unteren Enden der Kokille sind mit abgeschrägten Ansätzen versehen, die oberen und unteren Kanten der Graphitplatten sind abgeschrägt und werden von den erwähnten abgeschrägten Ansätzen gehalten. Die Seitenplatten des Einsatzes in einer Breite entsprechend der Breite der (herzustellenden) Platte haben an ihren Enden einen Spielraum, um eine Ausdehnung in horizontaler Richtung zu ermöglichen. In diesen Kokillen können kontinuierlich Kupferplatten, besonders in grossen Abmessungen, gegossen werden, z. B. Platten von etwa 510 mm Breite auf 114 mm Dicke.
Gegenstand der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert ; es zeigen : Fig. 1 eine schematisch gezeichnete Vorderansicht, teilweise geschnitten, einer Vorrichtung für das erfindungsgemässe Stranggiessen, Fig. 2 eine schematische Seitenansicht, teilweise geschnitten gezeichnet, Fig. 3 eine Ansicht der Plattenkokille, teilweise im Querschnitt gezeichnet und verschiedene Konstruktionseinzelheiten, Fig. 4 einen Querschnitt nach Linie 4-4 durch Fig. 3, Fig. 5 einen Querschnitt nach Linie 5-5 durch Fig. 4, Fig. 6 in Einzeldarstellung die Eckenkonstruktion nach Linie 6-6 durch Fig. 4.
Die Giessvorrichtung (Fig. 1 und 2) besteht im allgemeinen aus einer in senkrechter Richtung auf-und abschwingbaren Kokille 10, der aus einem Ofen 11 das Giessmetall zugeführt wird. Der aus der Kokille unten austretende rechteckige Gussstrang durchläuft einen mit Wasser gefüllten Kühlbehälter 12 ; er wird durch angetriebene Walzen 13 abgesenkt und mittels einer Kreissäge 14 zu Platten zerschnitten.
Der Ofen 11 kann ein Niederfrequenz-Kippofen sein, der auf Zapfen 15 gelagert ist und mittels hydraulischer Zylinder 16 bewegt wird. Im Ofenboden ist ein T-förmiges Rohr 22 aus legiertem Stahl angebracht. Ein Ventil 17 regelt den Zufluss des Metalles zu diesem Rohr 22. Zu diesem Zweck kann die mit einem Gewinde versehene Spindel des Ventiles 17 in einem Lager 18 bewegt werden. Mit Hilfe eines Handrades 19 wird der Ventilkegel auf und ab bewegt. Das Rohr 22 kann mit feuerfestem Material, wie Steatit, ausgekleidet und elektrisch beheizt werden, um ein Einfrieren zu verhindern.
Die Kokille 10 besteht im allgemeinen aus einem wassergekühlten Mantel 25 mit einem Graphitein- satz 26. Die Kokille wird von einem sich auf und ab bewegenden Rahmen 27 getragen.
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Der Hubmechanismus besteht aus einem Satz von vier Winkelhebeln 28, die auf einer feststehenden
Grundplatte mittels Zapfen 29 gelagert sind. Zugstangen 30 verbinden die Winkelhebel 28 miteinander und Zwischenglieder 34 mit dem Rahmen 27. Ein Motor 32 treibt eine Kurbel 31 an, die vermittels Verbindungsstangen 33 mit den Winkelhebeln 28 verbunden ist.
Der Motor 32 kann ein Motor mit regelbarer Drehzahl sein, es kann aber auch eine andere Vorrich- tung vorgesehen werden, um die Anzahl der vertikalen Hübe pro Minute, zu welchen die Kokille 10 ver- anlasst wird, zu regeln. Durch Einstellen der Exzentrizität der Kurbel 31 kann die Höhe des Habs verändert werden.
Der Kühlbehälter 12 kann feststehend angebracht werden oder auch am Tragrahmen 27 befestigt sein, um so die Hub-Senkbewegung der Kokille mitzumachen. Der Boden des Behälters 12 ist mit einer Gummidichtung 38 versehen. Der Wasserspiegel im Tank 12 wird vorzugsweise auf einer Höhe von etwa 25, 4 mm über dem unteren Kokillenende gehalten. Der Guss wird auf diese Weise gegen Oxydation geschützt und verlässt den Kühlbehälter 12 bei einer Temperatur, die der Gummidichtung nicht schadet.
Das Kühlwasser wird dem Wassermantel 25 durch Rohre 39 zugeführt und durch Auslassrohre 40 in den Kühlbehälter 12 geführt, wo es über den oberen Rand des Tanks abläuft. Die Regelung des Überlaufs am Tank mittels des Wehrs 41 bestimmt die Höhe des Wasserstandes im Tank bezogen auf das untere Ende der Kokille.
Im Betrieb bewegen sich die Förderwalzen 13 mit einer solchen Geschwindigkeit, dass der Gussstrang ausreichend erstarrt ist, wenn er die Kokille verlässt, um ein Durchbrechen des geschmolzenen Metalles zu vermeiden. Das Ventil 17 wird so eingestellt, dass es geschmolzenes Metall mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Absenkgeschwindigkeit des Stranges in die Kokille fliessen lässt. Dem Ofen 11 wird von Zeit zu Zeit Metall zugesetzt. Um den Metallfluss vom Ofen zu unterbrechen, wird der hydraulische Zylinder 16 so eingestellt, dass sich der Ofen nach abwärts in der Richtung des Pfeiles A senkt, so dass der Sitz des Ventiles 17 oberhalb des Schmelzspiegel im Ofen zu liegen kommt. Das Metall erstarrt in der bekannten Trichterform mit dem oberen Rand bei 42.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3-6 wird nachstehend die Kokille im einzelnen beschrieben.
Der Mantel 25 hat Innenwände aus Kupfer und ein äusseres Stahlgehäuse. Die Kupferwände bestehen aus einem Paar Seitenplatten 43 und einem Paar vertikaler Endplatten 44. Die Seitenplatten 43 haben Nuten 45 und die Endplatten 44 weisen Ansätze 46 auf, welche mit einer dazwischengefügten Dichtung 35 in die Aussparungen 45 passen. Bolzen 47 spannen die Platten wasserdicht zusammen.
Das äussere Stahlgehäuse besteht aus Seitenplatten 48 und Endplatten 49, die zusammengeschweisst sind. Vierkantstück 50 sind oben und Flachkantstücke 54 an die unteren Enden der Stahlplatten angeschweisst.
Der Abstand des Stahlmantels vom inneren Kupfermantel wird durch einen oberen Rahmen 52 und einen unteren Rahmen 51 bestimmt. Diese Rahmen 52 und 51 sitzen mit dazwischengefUgten Dichtungen 36, 37 auf Schultern auf den inneren Kupferplatten und liegen gegen die mit der äusseren Stahlwand verbundenen Teile 50 und 54 an. Bolzen 53 spannen die Rahmen 52 und 51 zusammen, um einen wasserdichten Mantelraum zu schaffen. Das Wasser wird durch Einlassrohre 57 und 58 zugeführt, die an diagonal entgegengesetzten Ecken der Kokille angebracht sind. Auslassrohre 59 und 60 befinden sich oben an der Kokille direkt über den Einlassrohren. Diese Anordnung erlaubt dem Kühlwasser eine rotierende Umlaufbewegung.
Der Einsatz 26'besteht aus vier einzelnen Graphitplatten, wobei die Seitenplatten mit 65 und die Endplatten mit 66 bezeichnet sind. Das untere Ende der Kupferwandung hat einen vorstehenden Rand 64, welcher eine V-förmige Aussparung bildet. Jede Einsatzplatte 65,66 hat eine untere abgeschrägte Kante, die in die Aussparung passt.
Die oberen Enden der Einsatzplatten 65,66 sind gleicherweise abgeschrägt und werden mittels eines Rahmens 67 in Stellung gehalten. Dieser weist einen Ansatz 68 auf, der zusammen mit der angrenzenden Kupferwandung eine Ausnehmung zur Aufnahme der oben abgeschrägten Einsatzplatten 65,66 bildet.
Die Einsatzplatten 65,66 haben eine solche Dicke, dass sie über die Ansätze 64, 68 hinaus nach innen in den Kokillenraum ragen. Auf diese Weise wird vermieden, dass das Gussstück die untere Kante der Kupferwand des Mantels berührt.
Die seitlichen Einsatzplatten 65 sind etwas kürzer gehalten als die entsprechende Mantelwand, so dass an den Enden der Einsatzplatten 65 der linearen Ausdehnung Rechnung tragende Dehnungsfugen 69 vorhanden sind. Anderseits liegen die Endplatten 66 des Einsatzes, da sie wesentlich kürzer sind, satt an die Seitenplatten 65 des Einsatzes. Da die Einsatzplatten 65 wesentlich länger sind als die Endplatten 66,
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muss eine Vorkehrung für die Ausdehnung der Seitenplatten 65 getroffen werden. In Anbetracht der relativ kurzen Schmalseitenabmessung der Endplatten 66 ist es jedoch nicht notwendig, hier für eine Ausdehnung Vorsorge zu treffen. In Fällen, wo die Endplatten längere Schmalseitenabmessungen haben, kann eine ähnliche Vorkehrung zum Ausdehnen getroffen werden.
Abmessung, Form und Zusammensetzung des Erzeugnisses, welches gemäss der Erfindung gegossen werden kann, können weitgehend abgewandelt werden. Diese Faktoren sind voneinander mehr oder weni- ger abhängig und müssen sich ferner nach den Eigenschaften, die das gewünschte Erzeugnis haben soll, richten.
Nachstehend ist ein Beispiel für eine Einrichtung angeführt, die in betrieblichem Massstab verwendet wird.
Der gegossene Strang bestand aus mit Phosphor desoxydiertem Kupfer. Er hatte einen Querschnitt von etwa blO mm x 114 mm. Die Dicke der Kupferwände 43, 44 (im Bereich der Einsätze) betrug etwa
25, 4 mm und die Dicke der Einsatzwandung etwa 6 mm. Die Länge der Einsatzplatten betrug etwa
305 mm. Die Kokille hatte einen Hub von etwa 4 mm bei einer Frequenz von etwa 60 Hüben pro Minu- te.
Die Einsatzplatten 65 waren um etwa 2 mm kürzer als die innere Schmalseite der Kokille ; so war an jedem Ende eine Fuge von etwa 1 mm zum Ausdehnen der Einsatzplatten vorgesehen. Für die kürzeren Endplatten 66 des Einsatzes war keine Vorkehrung zur Ausdehnung getroffen, da jene zwischen die längeren Seitenplatten mit leichtem Schiebesitz eingefügt wurden. Die kürzeren Endplatten 66, mit einer
Schmalseitenabmessung der Kokille von etwa 114 mm sind so kurz, dass keine Ausdehnungsspielräume benötigt werden. Die längeren Seitenplatten 65, welche etwa 510 mm lang sind, brauchten den Ausdehnungsspielraum.
Beim Giessen wurde der Spiegel des geschmolzenen Metalles in der Kokille etwa 25 mm unterhalb der oberen Kante des Graphiteinsatzes gehalten. Der dünne, von dem erstarrenden Metall gebildete Rand bei 42 des Trichters 20 wurde etwa an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls gehalten. Die tiefste Stelle des Trichters lag nahe am unteren Ende der Kokille.
Auf den Metallspiegel in der Kokille wurde eine Decke von Graphitflocken aufgebracht, und die Giessgeschwindigkeit betrug etwa 4,536 t/h.
Das Gussstück wird nicht nur im Wasserbad 12, sondern auch in der Kokille stark gekühlt. Eine wirksame Wärmeableitung in der Kokille wird durch einen innigen Berührungsschluss zwischen den aneinanderliegenden Flächen von Einsatz und Mantel erzielt. Der erzielbare Wärmeübergang genügt, um die Temperatur des Graphiteinsatzes so niedrig zu halten, dass keine wesentliche Oxydation auftritt. Es ist keine besondere Oxydations-Schutzatmosphäre notwendig.
Es ist wohlbekannt, dass Graphit eine Reihe von Vorteilen für das Stranggiessen besitzt Er hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und wird von den meisten Metallen, insbesondere auch von Kupfer und Kupferlegierungen, nicht benetzt. Er lässt sich leicht maschinell bearbeiten, ist billig, hat gute mechanische Festigkeit, ist etwas biegsam und hat einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten (etwa 1/9 desjenigen von Kupfer).
Die Wärmeleitfähigkeit einer 0, 025 mm starken Luftschicht entspricht etwa jener einer 406,5 mm starken Kupferschicht bzw. einer etwa 140 mm starken Graphitschicht. Die Folgen sind daher offensichtlich, wenn die innige Verbindung zwischen Einsatz und Mantel verlorengeht.
Graphit beginnt bei einer Temperatur von etwa 4000 C zu oxydieren. Für alle praktischen Zwecke jedoch, selbst wenn der Einsatz einem zu vergiessenden sauerstoffhaltigen Metall oder der Atmosphäre ausgesetzt ist, wird eine befriedigende Lebensdauer des Graphiteinsatzes erreicht, so lange als der Graphiteinsatz unter etwa 6000 C gehalten wird. Auf diese Weise kann sauerstoffhaltiges Kupfer, wie zähgepoltes Kupfer (tough pitch copper) gegossen werden, ohne dass der Metallspiegel in der Kokille durch Graphitglocken abgedeckt wird.
Wenn jedoch der Graphiteinsatz weder vom Giessmetall her, noch aus der Atmosphäre der Einwirkung von Sauerstoff ausgesetzt ist, darf seine Temperatur auch über 600 C steigen. So können sauerstofffreie Kupfersorten, wie etwa mit Phosphor desoxydiertes Kupfer, mit Graphiteinsatz-Temperaturen von 7600 C vergossen werden, ohne dass durch Oxydation ein übermässiger Graphitverlust eintritt, vorausgesetzt, dass der Metallspiegel in der Kokille mit Graphit od. dgl. abgedeckt wird. Die Einsatzplatten sind relativ dünn und biegsam, sie sind unabhängig voneinander montiert, so dass sie sich einzeln zu den andern Platten und zum Mantel, je Temperatur und Druck des geschmolzenen Metalles, einstellen können.
Die innere Kupferwand und das äussere Stahlgehäuse sind nur am oberen und unteren Ende der Ko-
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kille miteinander verbunden. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Seiten- und Endplatten 43, 44 der Kupferwand unter Anordnung von mit Dichtpackungen versehenen Fugen zusammengebaut sind.
DiePlatten schliessen auch an den unteren und oberenRahmen 51, 52 mit zwischengeschalteten Dichtpakkungen an. Dadurch erhalten die Platten der Kupferwandung eine gewisse Freiheit, sich unter dem Einfluss der Temperatur des geschmolzenen Metalls einzustellen, zu biegen oder zu werfen, ohne sich gegenseitig zu behindern oder durch das äussere Stahlgehäuse behindert zu werden.
Infolge des Temperaturunterschiedes zwischen den beiden Seiten des Einsatzes wird sich dieser nach einwärts biegen.
Infolge des Temperaturunterschiedes zwischen den beiden Seiten der Kupferwandung biegen sich die Platten des Kupfermantels in der Regel ebenfalls in der gleichen Richtung wie die Platten des Graphiteinsatzes. Auf diese Weise besteht sowohl für den Einsatz als auch für die Kupferwandung eine Tendenz, sich infolge der Temperaturunterschiede parallel miteinander zu werfen oder zu verbiegen, und so den innigen Berührungsschluss aufrechtzuerhalten. Ausserdem presst der Druck des geschmolzenen Metalles in der Kokille den vergleichsweise dünnen Einsatz an die Kupferwandung und trägt so dazu bei, den Berührungsschluss aufrechtzuerhalten.
Das Metall erstarrt zuerst da, wo es die relativ kalten Wandungen der Kokille berührt und zuletzt im Zentrum des Kokillenhohlraumes. Das die Seitenwände berührende Metall erstarrt sehr schnell, so dass sich der Rand 42 des Trichters in nächster Nähe des Metallspiegel in der Kokille befindet. Der Trichterrand erstarrt zuerst zu einer Haut von weicher oder teigiger Konsistenz. Diese schwache, neugebildete Haut des entstehenden Stranges hat noch in einiger Entfernung von der Trichterkante nicht genügend Festigkeit, um sich selbst zu stützen.
Sobald das Metall genügend erstarrt, um sich selbst zu stützen, schrumpft es, hebt sich vom Graphiteinsatz ab und verringert so den Wärmeübergang vom Gussstück zum Einsatz. Bei dem obengenannten Beispiel schätzt man, dass das Abschrumpfen des Gussstückes vom Graphiteinsatz etwa 10-12 cm unterhalb der oberen Kante des Graphits erfolgt. Der stärkste Wärmeübergang findet in dem Bereiche statt, wo das vergossene Metall entweder vollständig geschmolzen oder in weichem oder teigigem Zustand sich befindet. In diesem Bereiche erfolgt auch die grösste Krümmung der Seiten- und Endplatten der Kokille.
Trotz dieser stellenweisen Durchbiegung erlaubt die eigenartige Konstruktion des Mantels, die Art der Halterung der dünnen, biegsamen Graphiteinsatzplatten, die Aufrechterhaltung des erforderlichen inni-
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zwischen Einsatzlen.
Die erfindungsgemässe Kokille wird verwendet zum Giessen von Platten verschiedener Querschnittsformen und für verschiedene Metalle, wie z. B. mit Phosphor desoxydiertes Kupfer mit hohem P-Gehalt, hochleitfähiges Kupfer, mit Phosphor desoxydiertes Kupfer mit niedrigem P-Gehalt und zähgepoltes Kupfer. Wenn gewünscht, kann der Wassertank weggelassen und durch eine Wasserbrause ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung macht das Giessen von Platten ohne Anwendung eines inerten Gases als Oxydationsschutz möglich. Beim Giessen von sauerstofffreiem Kupfer ist es vorteilhaft, auf den Metallspiegel in der Kokille eine Schutzdecke von fein verteiltem kohlenstoffhaltigem Material aufzubringen.
Beim Giessen von sauerstoffhaltigem Kupfer, wie zähgepoltem Kupfer, darf diese Schutzdecke nicht aufgebracht werden und das Metall muss genügend langsam gekühlt werden, um die Entwicklung uner- wünschter Eigenschaften in dem gegossenen Erzeugnis zu verhindern.
Die Temperatur des Graphiteinsatzes kann in jeder gewünschten oder zusagenden Weise gemessen werden. Z. B. können Löcher vertikal nach unten durch den oberen Rahmen 67 in die obere Kante des Einsatzes, längs der Kokille und mitten durch die Dicke des Einsatzes hindurch gebohrt werden. Solche Löcher können an jeder gewünschten Stelle in eine beliebige oder mehrere der Einsatzplatten gebohrt werden. In jedes Loch kann ein Thermoelement eingeführt und auf-und abbewegt werden, um die Temperatur längs des Einsatzes zu messen. Auf diese Weise kann die heisseste Stelle des Einsatzes gut ermittelt werden. Die Maximaltemperatur tritt meistens in dem Bereiche auf, wo das geschmolzene Metall den Graphiteinsatz berührt und wo die Kante des Trichters im Anfangsstadium ist.
Die Löcher sind genügend weit, so dass die Distanz zwischen dem Loch und der Gussstück-Oberfläche so gering gemacht werden kann, als mit der Festigkeit des Graphits vereinbar.
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